Совершенствование профиля насадки водометного движителя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

С.А. Александров

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОФИЛЯ НАСАДКИ ВОДОМЕТНОГО ДВИЖИТЕЛЯ

Объект и цель научной работы. Объектом исследования принято сечение насадки водометного движителя. Целью работы является улучшение кавитационных характеристик водометного движителя.

Материалы и методы. Методом исследования является расчет гидродинамических характеристик профилей различной геометрии бесконечного размаха в несжимаемой жидкости. Расчеты выполнены для модельных условий, соответствующих работе профиля в безграничной жидкости.

Основные результаты. В результате расчетов получено, что сегментный профиль имеет значительные пиковые разрежения давления при положительном угле атаки, а откорректированная версия профиля позволяет устранить данные явления при сохранении необходимых конструктивных особенностей в геометрии профиля. Данный факт характеризует теоретическую ценность исследования.

Заключение. Результаты квазиакустических испытаний для модели с сегментным профилем показали наличие кавитации на насадке, а для модели водометного движителя с откорректированным профилем сечения насадки - исчезновение кавитация на насадке в диапазоне рабочих поступей. Данный результат является новым для водометных движителей насосного типа и имеет практическое значение для применения водометного движителя на натурном судне.

Ключевые слова: водометные движители, профиль насадки, гидродинамические характеристики.

Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Александров С. А. Совершенствование профиля насадки водометного движителя. Труды Крылов-ского государственного научного центра. 2017; 4(382): 40-45.

УДК 629.5.036 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-4-382-40-45

S. Aleksandrov

Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia

NOZZLE SHAPE IMPROVEMENT FOR WATERJET PROPULSOR

Object and purpose of research. The object of this study is nozzle section of pumpjet. The purpose of the work is to improve cavitation performance of waterjet propulsor.

Materials and methods. The method of the study is calculation of hydrodynamic parameters for inifinite-span profiles of various geometry in incompressible fluid. The calculations are performed for model conditions corresponding to the profile operation in infinite fluid.

Main results. The calculations have shown that compound profile has significant peak depressurization at positive angle of attack, and the corrected version of this profile eliminates these phenomena while maintaining necessary design specifics in the profile geometry. This fact characterizes theoretical value of the study.

Conclusion. Quasi-acoustic test data for the model with compound profile have detected nozzle cavitation, and the waterjet model with corrected nozzle section profile was shown to have no cavitation on the nozzle within the range of operational advance ratios. This is a new result for pumpjets, and it is of practical importance for waterjet application aboard a full-scale vessel.

Key words: waterjet propulsors, nozzle profile, hydrodynamic performance. Author declares lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Aleksandrov S. Nozzle shape improvement for waterjet propulsor. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 4(382): 40-45 (in Russian).

УДК 629.5.036 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-4-382-40-45

В ходе работ [1] по исследованию характеристик водометного движителя насосного типа (ВДНТ), фотография модели ВДНТ приведена на рис. 1 было установлено, что применение одной из предложенных С.В. Куликовым конструкций водометного движителя, предложенных в работе [2], позволяет обеспечить величину коэффициента влияния корпуса Пн = 1 на быстроходных судах при максимальном значении КПД водометного движителя По = 0,68, что подтверждается результатами [3]. Хотя обычное значение коэффициента влияния корпуса для быстроходных судов составляет пн = 0,80,82 для случаев применения движителей, описанных в статье [4]. Данный факт показывает, что применение водометного движителя насосного типа может обеспечить экономию топлива 18-20 %. Полученный выигрыш является весьма значительным, поэтому становится актуальной задача совершенствования конструкции ВДНТ с целью улучшения его гидродинамических и кавитационных характеристик.

На рис. 2 представлены результаты квазиакустических испытаний водометного движителя [5], на графике по горизонтальной оси отложена поступь J по вертикальной оси, ^ап - величина параметра шу-мообразования. Приведенные материалы показывают наличие нескольких типов кавитации, которая возникает на различных элементах водометного движителя. Подобные явления также наблюдались для движителей в исследованиях [6, 7].

Рис. 2 демонстрирует наличие кавитации на насадке во всем диапазоне исследуемых поступей, до значений поступи J = 1,05 мы видим кавитацию на засасывающей стороне, далее насадка кавитиру-ет при постоянном значении ^ап - 0,6, в том числе при рабочем значении поступи J = 1,5-1,6, далее кавитирует нагнетающая сторона насадки при поступи более J = 1,65, что является нежелательным при работе ВДНТ. С целью улучшения кавитацион-ных характеристик путем устранения кавитации на насадке было решено внести изменения в форму сегментного профиля сечения направляющей насадки водометного движителя.

На рис. 3 приведена исходная геометрия сегментного профиля насадки. Для исследования распределения давления на профиле были выполнены расчеты обтекания профиля потоком идеальной жидкости. В связи с тем, что применение ВДНТ предполагается за корпусом судна в условиях маневрирования [3], в поток жидкости при обтекании движителя вносится сильная неоднородность, вследствие наличия неоднородности

возникают углы скоса потока жидкости, поэтому при работе движителя насадка обтекается под различными углами атаки. Поэтому принято выполнить расчеты для случая обтекания плоского профиля насадки в диапазоне различных углов атаки -от отрицательных до положительных значений. В данной работе для выполнения расчета гидродинамических характеристик профиля использован метод расчета [8].

Характеристики потенциальной зоны течения рассчитываются с использованием теорий кон-

• щелевая кавитация ▲ кромочная кавитация, п = 20 об/с А кромочная кавитация, п =15 об/с

Рис. 2. Результаты квазиакустических испытаний модели водометного движителя c сегментным профилем лопастей рабочего колеса

Fig. 2. Quasiacoustic test data for the pumpjet model with compound profile of rotor blades

Рис. 1. Модель водометного движителя насосного типа

Fig. 1. A model of pumpjet propulsor

16 14 12 10 8 6 4 2

0

Сегмент ль

Фиш шьный профи

/ N

/

/ S к S

н

20

40

60

80

100

120

140

160

Рис. 3. Геометрия профилей насадки

Fig. 3. Geometry of nozzle profiles

формных отображений, при этом расположенный на физической плоскости профиль преобразуется в окружность. Существует условие равенства давлений на задней кромке на внешней границе слоя сверху и снизу, в идеальной жидкости этому условию соответствует постулат Жуковского - Чаплыгина, в ходе расчетов данное условие было учтено. Резуль-

1,5 [P 1

0,5 0

-0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5

1,2 1

0,8

а)

Финал 31 Маринич

0,2

0,4

0,6

0,8

0 -0,2

таты этих расчетов показали, что при положительных углах атаки а, особенно при а = 3 градуса, на сегментном профиле присутствует пиковое значение разряжения давления в носике на засасывающей стороне. Эти данные продемонстрированы на рис. 4.

С целью устранения данных пиковых разряжений, которые приводят к кавитационным явлениям

1

0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6

2 1

0 -1 -2 -3 -4 -5 -6

а)

1-Г

— Финал

— Маринич Сегмент

0 0,2 0,4 0,6 0,

1 1,2 б)

Финал _ Маринич Сегмент —

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 0,2 0,4 0,6 0,!

1

Рис. 4. Распределение давление для профиля на засасывающей (а) и нагнетающей (б) стороне. Угол атаки а = 3 градуса

Fig. 4. Pressure distribution for suction (a) and pressure (b) sides of the profile. Attack angle а = 3°

Рис. 5. Распределение давление для профиля на засасывающей (а) и нагнетающей (б) стороне. Угол атаки а = -2,5 градуса

Fig. 5. Pressure distribution for suction (a) and pressure (b) sides of the profile. Attack angle а = -2.5°

0

1

L

1

на водомете, была рассмотрена форма профиля насадки, предложенная Н.В. Мариничем [9] - его геометрия также приведена на рис. 2, она отличается от сегментного более толстой входящей кромкой профиля. Также было предположено, что еще большее утолщение входящей кромкой профиля и некоторое уменьшение толщины задней части профиля могут положительно отразиться на кавитационных характеристиках. Финальная версия геометрии профиля насадки, предложенной в данной работе, также приведена на рис. 3. Стоит отметить, что внутренняя сторона профилей насадки является плоской в связи с конструктивными особенностями работы водомета для всех 3-х исследуемых профилей.

Аналогично расчетам для сегментного профиля были выполнены расчеты для профиля, предложенного Н.В. Мариничем, и финальной версии профиля. Также был рассмотрен диапазон различных углов атаки от отрицательных до положительных значений. Результаты этих расчетов приведены на рис. 5-6, для углов атаки а = -2,5 и 0 градусов.

Из полученных результатов видно, что при нулевом и положительных значениях углов атаки распределение давления для этих двух профилей имеет примерно одинаковый характер. Но при отрицательных значениях угла атаки для профиля Н.В. Маринича имеются значительно более высокие пики разряжений на нагнетающей стороне, которые растут с увеличением отрицательных значений углов атаки. Данная особенность является негативной при работе ВДНТ на судне, т.к. по результатам компьютерного моделирования обтекания ВДНТ за корпусом судна, выполненного Д.В Ба-гаевым [10], получено, что насадка в условиях неоднородности потока жидкости может обтекаться под отрицательными углами атаки, достигающими значений а = -7-9 градусов.

Указанные особенности привели к решению о применении финальной версии профиля в модели насадки ВДНТ при эксперименте в средней кавита-ционной трубе.

По результатам квазиакустических испытаний в кавитационной трубе [11] с новой финальной геометрией насадки, которые приведены на рис. 7, видно, что кавитация на насадке исчезла полностью во всем диапазоне исследуемых поступей, в том числе при рабочих значениях поступи I = 1,5-1,6. Полученный результат можно считать положительным, так как исчезновение кавитации на насадке ВДНТ и являлось целью данной работы.

а)

1

0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1

1

0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1

P 1 1 - Ф 1 инал _ аринич егмент _

[ - М

1 С

1

\

X

\ ч

V / X-

V Т

ч У L

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 б)

P 1 1 - Ф 1 инал аринич гмент

- М

С(

■ —>1

Г

/

1

L

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Рис. 6. Распределение давление для профиля на засасывающей (а) и нагнетающей (б) стороне. Угол атаки а = 0 градусов

Fig. 6. Pressure distribution for suction (a) and pressure (b) sides of the profile. Attack angle а = 0°

лК 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

а

•

• А.Л

А

•• • • • • .i

•• ••

0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 J

Рис. 7. Результаты квазиакустических испытаний модели водометного движителя (ВДНТ) с финальным профилем сечения насадки и новой формой кормового обтекателя

Fig. 7. Quasiacoustic test data for the pumpjet model with the final profile of nozzle section and the new shape of aft fairing

Заключение

Conclusion

По итогам представленной работы получены следующие результаты:

■ выполнены расчеты гидродинамических характеристик профилей для сечения насадки водометного движителя в потоке идеальной жидкости. В результате расчетов показано, что сегментный профиль имеет значительные пиковые разряжения при положительном угле атаки, в частности при а = 3 градуса;

■ продемонстрированы результаты квазиакустических испытаний для модели водометного движителя с финальным профилем сечения насадки, которые показали, что исчезла кавитация на насадке во всем диапазоне исследуемых поступей, в том числе при как рабочих значениях поступи J = 1,5-1,6.

Библиографический список

References

1. Александров С А., Каневский Г.И., Капранцев С.В., Пустошный А.В. Легконагруженный водометный движитель. Патент №2537351 от 07.05.17. Правообладатель РФ от имени Минпромторга России. [5. Aleksandrov, G. Kanevsky, S. Kaprantsev, A. Pus-toshny. Lightly-loaded waterjet propulsor. Patent No. 2537351 dt. May 07, 2017. Possessor of right of the Russian Federation on behalf of Russian Ministry of Industry and Trade. (in Russian)].

2. Куликов СВ. Гидродинамика водометных движителей. Дис. ... канд. техн. наук. СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 1973. [S. Kulikov. Hydrodynamics of waterjets. Dissertation for the Candidate of Technical Science degree, Leningrad: Krylov Shipbuilding Research Institute, 1973. (in Russian)].

3. Каневский ГИ, Капранцев СВ. Анализ развития движительного комплекса кораблей и судов // Академик А.Н. Крылов. К 150-летию со дня рождения. СПб.: Krylov State Reseach Centre, 2013. С. 83-98. [G. Kanesvsky, S. Kaprantsev. Analysing the evolution of marine propulsion systems. To the 150th anniversary of Academician A. Krylov. Collection of papers / KSRC, St. Petersburg, 2013; 83-98. (in Russian)].

4. Александров С А., Каневский Г.И., Клубничкин А.М. Коэффициенты взаимодействия водометного движителя насосного типа с корпусом // Сборник докладов НТК «XLV Крыловские чтения». СПб.: 2013. С. 19-21. [S. Aleksandrov, G. Kanevsky, A. Klubnichkin. Coefficients of interaction between pumpjet and hull //

Compendium of papers, XLVth Krylov Readings scientific & technical conference, St. Petersburg, 2013; 19-21. (in Russian)].

5. Каневский Г И., Александров С А. Оптимизация элементов водометного движителя насосного типа с коротким водоводом // Труды Крыловского государственного научного центра. 2015. Вып. 90 (374). С. 11-18. [5. Aleksandrov, G. Kanevsky. Optimization of components for a pumpjet with short water duct // KSRC Transactions. 2015; 90(374):11-18. (in Russian)].

6. Cheng Yu, Xiao-Qian Dong, Wei Li, Chen-Jun Yang. Effects of blade geometry on cavitation and pressure fluctuations of tunnel thrusters // VII International Conference on Computational Methods in Marine Engineering MARINE 2017. 15-17 May 2017, Nantes, France. P. 169-83.

7. Patrick Schiller, Keqi Wang, Moustafa Abdel-Maksoud. Flow study on a ducted azimuth thruster // VII International Conference on Computational Methods in Marine Engineering MARINE 2017. 15-17 May 2017, Nantes, France. P. 184-95.

8. Дробленков В В., Каневский Г.И. Подъемная сила и вязкостное сопротивление плоских профилей в вязкой несжимаемой жидкости // Вопросы судостроения. 1982. Вып. 32. С. 93-102. [V. Droblenkov, G. Kanevsky. Lifting force and viscous resistance of flat profiles in viscous incompressible fluid // Voprosy sudostroyeniya (Shipbuilding matters). 1982; 32: 93-102. (in Russian)].

9. Маринич Н.В. Проектирование перспективных движителей в насадке с учетом их взаимодействия с поворотной колонкой и элементами корпуса судна. Дис. ... канд. техн. наук, 2013. [Ж Marinich. Design of advanced nozzled propulsors with consideration of their interaction with azimuthal thruster and hull elements. Dissertation for the Candidate of Technical Science degree, 2013. (in Russian)].

10. БагаевДВ, ТарановА.Е. Численное моделирование работы водометного движителя, установленного за корпусом судна // Сборник докладов конференции «Суперкомпьютерные технологии в промышленности». СПб., 2014. С. 87-88. [D. Bagaev, A. Tara-nov. Numerical simulation of pumpjet operating behind hull // Compendium of papers, Supercomputer technologies: industrial applications conference. St. Petersburg, 2014; 87-8. (in Russian)].

11. Александров С А. Экспериментальное исследование формы насадки водометного движителя и ее влияния на гидродинамические характеристики // Модели и методы аэродинамики. Материалы XV международной школы-семинара. М.: МЦНМО, 2015.С. 12-13. [S. Aleksandrov. Experimental study of pumpjet duct shape and its effect upon hydrodynamic performance //

Models and methods of aerodynamics. Materials of the центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, XVth International Seminar School. Moscow: MCCME, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-47-91; 2015; 12-3. (in Russian)]. e-mail: [email protected].

Сведения об авторе

Александров Станислав Анатольевич, инженер 2 категории ФГУП «Крыловский государственный научный

About the author

Aleksandrov, Stanislav A., 2nd Category Engineer, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-47-91; e-mail: [email protected].

Поступила / Received: 29.05.17 Принята в печать / Accepted: 06.07.17 © Александров С.А., 2017